1、第6章第 6章第一節 數字系統的基本概念第二節 數據通路第三節 由頂相向下的設計方法第四節 小型控制器的設計方法第五節 微程序控制器的設計第六節 數字系統設計實例數字系統數字系統概念第一節 數字系統的基本概念 一、數字系統的組成控制器處理器輸入輸出接口存儲器數字系統若干數字電路和邏輯部件構成的能夠存儲、處理并傳輸數字信息的設備。控制器處理器管理各個子系統按規定順序協同工作由邏輯子系統組成，具有計數、寄存、譯碼、運算等功能輸入輸出接口系統與外界交換信息存儲器存儲數據和各種控制信息有沒有控制器是數字系統的關鍵功能部件功能部件芯片結構數字系統_單片機藥片裝瓶計數演示系統數字系統舉例數字系統的設計方法

2、 二、數字電路與數字系統的設計方法數字邏輯電路要求真值表卡諾圖狀態表狀態圖化簡數字邏輯電路設計自下而上數字系統要求最上層系統設計劃分若干子系統若干功能塊劃分設計控制器時序機簡單的模塊自上而下From top to down數字系統的設計流程概念設計芯片邏輯描述綜合子系統功能描述系統劃分系統設計和描述系統驗證功能驗證邏輯驗證設計者電子系統設計自動化 EDAElectronic Design Automation 數字系統的設計方框圖智能儀表設計系統輸出輸入10057327P398數據采集數據處理數據顯示數據打印控 制輸出輸入數據采集數據處理數據顯示數據打印控 制輸出輸入ALUAMI/O接口CCC

3、C控制信號子系統ALU第二節 基本子系統 一、算術邏輯運算單元 ALU實現：8種運算功能控制參數：三個 M0M1M2構成數字系統必不可少的邏輯功能部件。ASCOverAiBiFi加法器變反網絡SignZeroCarryi=1,2,3,4XiAiBiSiALUMA=BPGC0實現：算術加、減、傳送、加1等運算功能子系統ALU算術邏輯運算單元 ALU(74LS181)全加器函數發生器S2S0S1S3AiBiYiXiFiCn+iCn+i+144444i = 0,1,2,3AiBiFiALUS實現：16種邏輯運算16種算術運算控制信號：五個 S0S1S2S3M74LS18174LS181功能表演示_7

4、4LS181功能寄存器堆 二、寄存器堆寄存器通用寄存器：專用寄存器：暫存參與ALU運算的數據和結果。4、8、16、32位狀態寄存器、指令寄存器、程序計數器ALUE鎖存器B鎖存器A雙端口寄存器組EA03B03ABWRRD存儲器 三、存儲器存儲陣列2mn位譯碼器地址緩沖器MAR數據緩沖器MDR地址 m位數據 n位時序及控制WRRD寫數據：地址送入MAR數據送入MDR WR有效寫入存儲矩陣讀數據：地址送入MAR RD 有效 存儲矩陣的數據送入MDR讀/寫信號不能同時有效！總線結構第三節 數據通路總線多個系統部件之間進行數據傳輸的公共通路。AB、DB、CB 一、總線結構1、多路選擇器結構MUXA0D0

5、D1D2D3A1YP161 圖6.4 R1+R2R3 單向總線雙向總線始端與終端固定不變，信息只能從始端傳向終端。信息的始端和終端是相對的。總線結構A0D0D1D2D3A1YMUX3R1_D3R3_D3R2_D3AS1AS0D3MUX2R1_D2R3_D2R2_D2AS1AS0D2MUX1R1_D1R3_D1R2_D1AS1AS0D1MUX0R1_D0R3_D0R2_D0AS1AS0D0R1D3D2D1D0LDR1R2D3D2D1D0LDR2R3D3D2D1D0LDR3MUX A控制左移、右移、直傳三態門結構2、三態門方式DDGP162 圖6.5演示_三態門總線結構雙向結構DDG=03、雙向數

6、據結構P162圖6.5C1、C2不能同時有效！數據方向=1數據方向數據通路 二、數據通路演示_數據通路Ri+Rj RiRAM RiRi RAMRi + RAM Ri16個寄存器設計方法第四節 數字系統的設計方法例：設計一個8位二進制無符號數并行累加運算系統，使之能連續完成兩數相加并存放累加和。需要如下子系統： 一個8位的加法器，用來完成二數相加的操作； 兩個8位寄存器(A和D)，分別存放加數和被加數； 一個8位寄存器(B)，存放求和結果； 一個1位的寄存器(C)，用來存放進位信號并指示是否溢出； 一個控制器，用來協調和控制各個子系統的工作。控制算法： 各寄存器清零； 取加數，放入A寄存器； 取

7、被加數，放入D寄存器； 相加并將結果放入B寄存器，進位信號放C寄存器。設計方法化簡：控制算法：1、交作業2、今日作業P190 6, 7, 8, 15, 16, 17作業設計方法數字系統的設計核心是控制器的設計數字系統的設計任務1、對任務進行分析、合理劃分若干子系統。2、設計系統控制器，從而協調各子系統的工作。3、對各子系統進行邏輯設計。設計方法 一、算法流程圖 ASM圖Algorithmic State Machine用ASM圖描述控制器的控制過程 1、ASM圖符號狀態框101XIN0ACSr =1abc狀態名稱狀態編碼操作內容分支框X10X10(C)(A)(B)設計方法ASM圖多條件分支X1

8、X200(P)(W)(V)(Y)(S)011110條件輸出框X輸出內容(Q)(P)(R)10在某條件滿足時輸出典型的ASM框與(P)狀態有關的ASM圖舉例BDCA例1X110X301X210ABCD 2、ASM圖舉例P169 例4演示例2S2S1S3X/Z0/01/00/01/00/11/0S11S2XXX0S3110Z=10試題9 同步時序狀態機如圖所示，其中X1、X2是兩個外部輸入信號，Z是輸出信號。將時序狀態機轉換為ASM圖。例3X1X2/ZASM圖舉例數字比較系統如下，首先將兩個數據存入RA和RB，再進行比較，最后將大數存入RA。畫出ASM圖。例4LDRB10LDRALDRBCAPAB

9、控制器比較器ABRARB輸入XCAPLDRBLDRAASM小型控制器的設計第五節 小型控制器的設計 一、計數型控制器核心計數器步驟* 根據ASM圖確定存在幾種狀態 (n個變量可描述2n種狀態)* 將每個狀態給以任意狀態編碼（標在狀態框右上角）* 根據輸入條件及ASM圖設計次態控制邏輯7個狀態用3個觸發器* 計數狀態譯碼后輸出控制信號控制器是一種時序邏輯電路控制執行部件控制器.C1C2CnX1X2Xm設計依據：輸入信號和ASM圖計數型控制器圖計數器 含有n個觸發器。觸發器的2n個狀態以二進制編碼作為狀態變量，并與ASM流程圖中每一個已編碼的狀態框一一對應。 次態控制邏輯 就是實現狀態激勵函數邏輯

10、表達式。輸出譯碼器 對不同狀態下產生的各種控制信號進行譯碼。 小型控制器的結構框圖P172 例6 舉例LDA ,CLRLDBLDAADD, LDB00011110abcd根據ASM，求四個控制信號現態次態狀態名Q2Q1Q2n+1Q1n+1a00b01b01c11c11d10d10c11例1設計加法累加運算器的控制器，要求采用計數器型控制器。（初始寄存器A寄存器B已清零）P172 例6 舉例T1T2T(電平信號控制)T2T212 (電平信號控制)P172 例6 舉例1T1T22345LDAADDLDB678CLRTT1T2ASM小型控制器的設計Z1=1XZ2=1(Q)(P)(R)103個狀態-需

11、要2個觸發器1110現態次態輸出Q2Q1XQ2n+1Q1n+1Z1Z20001011001111001000010000011000000例2已知ASM圖如下，用PLA陣列和一定數量的D觸發器實現。條件分支框和輸出框屬于狀態P一個輸入X兩個輸出命令Z1Z2兩個狀態變量Q2Q1無效狀態現態次態輸出Q2Q1XQ2n+1Q1n+1Z1Z212Z1Z2計數型控制器D1D2Q1Q2CPZ1Z2D觸發器+PLA控制器比較器ABRARB輸入XCAPLDRBLDRA計數型控制器舉例LDRBAB10LDRALDRBCAP例3設計如圖所示計數器型控制器。計數器狀態變化發生在T1時序，打入寄存器控制信號發生在T2時

12、序。00011110abcd現態次態Q2Q1Q2n+1Q1n+1轉移條件a00b01b01c11c11d10d10c11AB10b01AB計數型控制器舉例D1D2Q1Q2T1ABQ1Q2Q1Q2LDRBAB10LDRALDRBCAP00011110abcdTT1T2T2LDRBQ1Q2CAPQ2Q1LDRA試題7 控制器的ASM圖如圖所示，規定使用D觸發器，設計“計數器型”控制器。其中控制信號C2為脈沖控制信號，C1C3為電平控制信號。設狀態周期T=T1+T2，T1用作觸發器狀態改變時序，T2用于C2控制信號定時。例4試題7現態次態Q2Q1Q2n+1Q1n+1轉移條件S101s000s311S

13、000s000s210S210s000s311S311s000s311TT1T2D2D1Q2Q1T1XT2C1C2C3試題7計數型控制器的缺點：ASM流程圖的微小變化，會牽動全局，要重新生成次態激勵函數。多路選擇器型控制器 二、多路選擇器型控制器基本原理多路選擇器按控制算法的要求，為其對應的觸發器生成次態激勵函數。步驟* 根據ASM圖給多路選擇器的輸入端提供適當的輸入值* 給ASM圖中每個二進制編碼狀態賦予十進制數碼* 建立狀態轉換表，求多路選擇器數據輸入端的函數值LDRBAB10LDRALDRBCAP00011110abcd現態次態編碼Q2n+1Q1n+1轉移條件a0 （00）b01b1 （

14、01）c11c3 （11）d10d2 （10）c11ABb01AB多路選擇器型控制器舉例1現態次態編碼Q2n+1Q1n+1轉移條件a0 （00）b01b1 （01）c11c3 （11）d10d2 （10）c11ABb01ABMUX2(0)=0MUX2(1)=1MUX2(3)=1MUX2(2)=ABMUX1(0)=1MUX1(1)=1MUX1(3)=0MUX1(2)=AB+ AB=1D2D1Q2Q1(D2 ) (D1)A1A0Q2Q101230123MUXMUX(D2)(D1)CPA0A1A0A101AB11110多路選擇器輸入端表達式Q2Q1Q2Q1多路選擇器型控制器舉例1LDRBAB10LD

15、RALDRBCAP00011110abcdT2LDRBQ1Q2CAPQ2Q1LDRA0123012301AB11110D2D1MUX2MUX1(D2)(D1)T1Q1Q2Q2Q1Q2Q1多路選擇器型控制器舉例2S3S0S11/11X3/10S2S4S5S6X1/001/11X4/00X5/10X2/00X6/11X/Z1Z2Q2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+1Z1Z2條件S00000000000100X1S100100000X201000S20100110010010X3S3011100111S41001000110100X4S510110010X501011X611011S611000

16、1111D200X3110X510204678 P181Q2Q1Q00123456MUX7多路選擇器型控制器舉例2Q2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+1Z1Z2條件S00000000000100X1S100100000X201000S20100110010010X3S3011100111S41001000110100X4S510110010X501011X611011S61100011110123Q1Q2456D2Q0MUX00X31107X50123Q1Q2456Z1Q0MUX00X310110123Q1Q2456D1Q0MUX0X2X30007X60123Q1Q2456D0Q0MUXX

17、10X30X41700123Q1Q2456Z2Q0MUX0001X41X6D2D1Q2Q1CPD0Q0通用多路選擇器型控制器310204678P1800123D2D1(D)(D)CPA1Q2A2Q1456701234567A0D0Q001234567(D)0123456701234567Z1ZmMUXMUXMUXMUXMUXA2A0A1A2A0A1A1A2A0A1A2A0輸入多路開關的數目取決狀態碼位數輸出多路開關的數目取決輸出變量個數11個狀態4個16選1MUX4個D觸發器多路選擇器型控制器舉例41Q2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+1條件S0000S1001S1001S2010S201

18、0S3011S3011S4100S4100S5101CJS1001CJS5101S10010123Q1Q2456D1Q0MUX01100700123Q1Q2456D0Q0MUX10101710123Q1Q2456D2Q0MUX0001CJ70多路選擇器型控制器舉例4進位CJ定序型控制器 三、定序型控制器基本思想一個狀態對應一個觸發器，一對一法LDRBAB10LDRALDRBCAP現態次態QaQbQcQdQa(D)Qb(D)Qc(D)Qd(D)轉移條件10000100初始Qa=1010000100010000100010010AB00010100AB1000010000100001abcd定序型

19、控制器試題114個2個某控制器的狀態圖如圖所示。1、請將該圖轉換為ASM圖。2、若采用“計數器型”控制器結構，控制器需要幾個D觸發器？3、若采用“定序型”控制器結構，控制器需要幾個D觸發器？例第6章掌握內容 1、數字系統的組成及功能 2、數字系統自上而下的設計方法 3、各種子系統的功能 5、數據通路的含義 6、 算法流程圖的符號及表示方法 7、 計數器型控制器的原理及設計步驟 8、多路選擇器型控制器的原理及設計步驟 9、 定序型控制器的原理及設計步驟 4、 組成總線的兩種方式微程序控制器的概念第六節 微程序控制器的設計 一、基本概念用軟件的方法設計硬件 1、控制部件和執行部件控制器控制部件執行

20、部件ALU、寄存器組、存儲器等控制命令-微命令微操作狀態反饋 2、微指令微程序微指令若干條微命令的集合微程序若干條微指令的序列在計算機中一條機器指令對應一段微程序微程序控制基本思想 仿照解題程序的方法，把所有的操作控制信號匯集在一起，編成微指令，存放在EPROM中。微程序與機器指令內存中的匯編語言ADD R1,R2SUB A,R11212n12nADD指令的微程序AUB指令的微程序N個微命令投影組成原理P190圖投影反匯編實例投影運算器框圖微程序控制器的設計舉例RAMR24 00000421 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 03S

21、3S2 S1S0ALU BUSM+1EA EBRB BUSRDAA地址RDBB地址WRBMRDMWRARIRLDC微程序控制器的設計舉例RAMR24 00000421 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 03S3S2 S1S0ALU BUSM+1EA EBRB BUSRDAA地址RDBB地址WRBMRDMWRARIRLDC0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 微指令的格式 3、微指令的格式操作控制順序控制微命令1=發微命令0=不發微命令1 0 0 1 1 0 0 0 0

22、 1 1* 操作控制：發出管理和指揮系統工作的控制信號* 順序控制：決定下一條微指令的地址0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1測試字段下址字段操作控制測試字段地址編碼01718 (P1)19 (P2)20212223101010101110111111001001101100011000111110101110111100001010000000101110100101001011P1P200時地址要進行修改微指令的位數微程序控制器的結構 二、微程序控制器的一般結構 1、控制器存儲器作用：存放系統內的全部微程序。組成：ROM容量：取決微指令的條數字長 = 微指令長度 2、微指令寄存器作用：組成：微命令寄存器：存放微命令微地址寄存器：存放下一條微指令地址存放從控制器存儲器